为什么子网掩码与网络上的单个计算机相关？

Question

我了解如何使用子网掩码将网络划分为子网，但是，为什么网络中的每台计算机都需要知道子网掩码而不仅仅是路由器？

我可以理解，如果每台计算机都通过电线相互物理连接，但无论如何所有数据包都需要通过路由器。

假设我在网络上有一台192.168.0.0/255.255.255.0具有 IP 的计算机192.168.0.1。

如果该计算机尝试访问子网外的计算机，比如说192.168.1.1，它将消息传输到路由器，路由器会识别出该 IP 位于子网 IP 范围之外，而不是将其传输到子网网络，它将它传输到它所连接的网络（可能是另一个路由器）。

Answer 1

您最初的假设并不完全正确。您所说的“路由器”是将两个设备合二为一——一个内部连接到多端口以太网交换机的双端口路由器。（这是一个示例图。）

这意味着，在计算机被直接连接在第2层，并且可以将数据包发送给对方，而不通过路由器芯去-它们只是简单地由开关芯片端口之间中继。（路由器在交换机中有自己的“端口”。）

因此，如果您使用 Wireshark 查看数据包，您会发现它们直接使用彼此的 MAC 地址，而“外部”数据包始终以路由器的 MAC 作为目的地。

（我假设您是？谈论在大多数家庭中发现的典型“无线路由器”，这是此类问题的常见原因。更大的网络将有一个单独的路由器，每个子网有一个端口，还有一些单独的交换机（可能是每个楼层/房间的主一加一），以及连接到这些交换机的几十台计算机。）

它与 Wi-Fi 网络大致相同，只是将“交换机”替换为“无线网桥”，即“接入点”。在这两种情况下，连接的计算机可以在第 2 层直接向彼此发送数据包，而无需通过路由器。

注释：

当我说路由器时，我实际上是指交换机。我的错。我的观点是，子网中的每台计算机都没有相互连接，而是连接到一个交换机，然后可以将包传递到正确的目的地。以太网帧不包含子网掩码，因为交换机已经拥有此知识，因此不需要它来进行正确的交换。

这又是错误的。交换机没有这个知识；他们交换核心工作在2层，不知道什么关于IP -其转发以太网帧纯粹基于“目的MAC地址”字段。

因此，主机需要子网掩码来确定要用作目标的 MAC 地址：

• 如果对等方在同一子网内，则根据定义假定它处于链路上——因此以太网帧将以对等方的 MAC 作为目的地。

• 对于子网外的对等体，以太网帧将以网关的MAC 作为目的地。

（这适用于默认配置。一些特殊的雪花网络改变了这一点——例如，大多数操作系统允许为额外的子网添加额外的“on-link”路由；相反，一些交换机可能被配置为欺骗 ARP 响应，这样即使是“on-link” " 流量被迫通过网关。）

Answer 2

计算机如何知道目标地址是否在另一个子网中的同一子网中？

检查本地地址和子网掩码。

让我们看几个例子：

如果我的计算机有 IP192.168.0.1和掩码，255.0.0.0则意味着从192.0.0.0到的任何地址192.255.255.255都在同一子网中。发送到所有其他计算机的数据包不需要通过路由器，它们可以直接发送。发送ARP报文，获取目的计算机的MAC地址，然后发送报文。

但是，如果我的计算机有 IP192.168.0.1并且掩码是，255.255.255.128那么同一子网中的计算机只能从 IP 地址192.168.0.0到192.168.0.127。可以直接访问它们（发送 ARP、查找 MAC 地址等）。例如，192.168.0.200必须通过路由器到达任何其他地址。

Answer 3

IP 有一点不明显的是，每个 IP 设备本身就是一个路由器。

这可以在普通 PC 上使用“路由打印”命令看到。您连接到两个网络：您的本地以太网或 wifi 网段，以及 localhost 网络。每个数据包都需要决定将它放在哪个网络上。

如果您将计算机放在两个网络上，例如“公共”和“私有”网络，这一点会变得更加明显。现在您肯定需要子网掩码来决定将数据包发送到哪个网络。

许多人会偶然发现具有单一网络连接的 PC 可能会使用错误配置的子掩码工作：他们最终只会将所有内容发送到网关。

Answer 4

我在这里的其他一些答案中看到了这一点，但我认为它可能更清楚：在具有多个网络接口的计算机上，子网掩码可用于根据目标 IP 地址自动确定要在哪个物理接口上发送IP 流量。

如果您将数据包发送到连接到其中一个接口的 LAN 上的设备，为了知道将其发送到哪个接口（如果您尚未明确配置路由），计算机可以检查接口以查看if subnet_mask & destination_ip == subnet_mask & interface_ip（&我的意思是按位与，==我的意思是断言相等），如果匹配，请选择该接口。

这样，如果你有例如：

• 接口 A 与 192.168.1.42/24
• 接口 B 与 10.0.0.15/24
• 接口 C 与 192.168.2.97/24

并且您发送一个数据包到 192.168.2.123 并且没有设置路由，可以确定应该使用接口 C，因为255.255.255.0 & 192.168.2.123 == 255.255.255.0 & 192.178.2 .

如果不知道子网掩码，这是不可能的，因此您必须为每个发送数据的 IP 地址设置路由。

Answer 5

TCP/IP 可以按照您的建议进行设计——叶节点会将所有内容发送到路由器，然后将其转发到目标，目标可能与发送方位于同一子网上。

但这不是最佳设计，原因有二：

1. 它使用更多带宽：同一子网上设备之间的每个数据包都必须传输两次：一次从发送方到路由器，一次从路由器到接收方。在路由器也是网络交换机的网络上，这实际上不是任何额外的带宽，因为它无论如何都会通过交换机。但并不是所有的网络技术都是这样工作的。最初的以太网设计是一种总线技术，没有中央交换机或中继器。

2. 它给路由器带来了更多的负担。即使路由器也是交换机，它的工作量也多一点，因为它已经达到了第 3 层路由实现，而不是更简单的第 2 层交换。

体现 TCP/IP 设计的一般理念是端节点是智能设备，因此假定它们能够完成某些工作。他们不必像骨干路由器那样了解完整的网络拓扑，但他们对本地环境有足够的了解，可以承担一些初始的本地对远程路由任务。实现这个简单的初始路由不需要太多代码。

此外，非路由器设备不一定只在一个子网上。您可以轻松地在一台 PC 中安装多个网卡——许多网卡同时具有以太网和 WiFi。并且每一个都可以连接到不同的子网，地址加上子网掩码用于确定使用哪个网卡。如果您运行虚拟机，则可能有一个虚拟子网将它们连接到主机系统。

Answer 6

如果我们查看路由表（这恰好是我的台式机）：

路由

default via 172.20.25.1 dev eth1 
172.20.25.0/24 dev eth1 proto kernel scope link src 172.20.25.33 
192.168.0.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.0.1

路线

Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         172.20.25.1     0.0.0.0         UG    0      0        0 eth1
172.20.25.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth1
192.168.0.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0

任一视图都传达相同的信息。子网掩码表明哪些主机可以在该网络上直接访问，其他主机可以使用网关找到。特别是，我们必须知道网关是可达的，否则我们无法发送数据包让它转发。

原则上，您可以通过网关主机发送所有内容。那看起来像

default via 172.20.25.1 dev eth1 
172.20.25.1 dev eth1 proto kernel scope link src 172.20.25.33 

或者

Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         172.20.25.1     0.0.0.0         UG    0      0        0 eth1
172.20.25.1     0.0.0.0         255.255.255.255 U     0      0      

我没试过，但它可以用于MAC-Forced Forwarding。